（系统分析与集成专业论文）基于arm的虚拟示波器的设计与研究.pdf

摘要 虚拟仪器的出现改变了传统仪器的思想。它们充分利用了计算机强大的软硬件资源， 把计算机技术和测量技术紧密结合起来。本文介绍了一种基于a r m 的虚拟示波器的设计， 它通过上位电脑和下位仪器的结合，不仅具备传统示波器的功能，而且能够通过上位机软 件实现硬件不具备的一些功能，还能降低示渡器的整体成本。本文主要是完成了底层硬件 的设计并对上位机软件进行了探讨。本文所讨论的虚拟示波器包括下位机的模拟信号调理、 模数转换、数据发送、上位机的数字信号处理、软面板显示、下位机管理等功能。 本虚拟示波器的硬件核心部件使用的是s u m s a n g 公司的s 3 c “b 0 x 芯片，开发软件 使用的是n i 的l a b v 正w 。 论文第一部分介绍本课题研究的基本情况；第二部分概述虚拟示波器及嵌入式系统； 第三部分给出虚拟示波器的下位机设计；第四部分给出虚拟示波器的上位机软件设计；第 五部分讨论了系统的抗干扰设计和误差处理：最后一部分讨论了系统的改进和完善并进行 了总结和展望。 在整个设计研究中，作者的任务是系统地规划整个系统中各个部分及其相互之间的连 结和协调，完成了仪器的硬件电路设计，上位机与下位机通信的方案设计，上位机的软件 模块设计等内容。 关键词：删，虚授示被器，h b w ，u s b ，信号谓理 a b s t r a c t t h ee m e r g c e 觚dd e v e l o p m e n to fv i r t i l 触i n 蛐n i m e n t t e c m o l o g 托r e p r e s e n t e db y l a b v i e w ( n i ) ，h 鼬b r o u 出矗b o mt l l er e v o i u 虹o nt 0 协i d i 廿o n a li n s 仃u m 卸t s 锄df 如ta d v a n c e m e n t i n 血e 妇i 虮瑚e n ti n d u s n yl 抽v w 0 旧i sn o to i l l yav 衲脚t e 豇虹l s 咖m e n t ，b u ta l s oa p e r i p h e r a lo fc o m p m e r sw i 廿l 也e 戥靴r to f p o w 响ls o f 研b 豫8 n dh 甜d 、v a r er e 3 0 u r c e s h e n c en i sat e c m o l o 斟t h a tt i 鲥yc c 暇l b i l l 髂也ec 锄叩咖妣 1 1 1 0 l o 田7w 珀1t e 或i n s t m m 删， n l i sd i s s e r t 撕o np r 眵e 也ad e s i g no fv jn l 增io s c i 珏o s c o p eb a s e do na r m ，仕l 砒i s1 l s e df o r 甘l e i 1 1 v e s t i g 蚯o n o ft h e 缸l m o l o 影o f 眦b e d d e ds y s 她n sa i l dv i 血l a li n s 订啉科1 乜a sa c o m b i n a t i o no fh y p o 幻m yi n 蚰唧e n ta n d 印i g 组s 讧c 叩m e av i r n 瑚o s c i l l o s c 。p ec 鼬p e r b 强 n o to n l ，t l l ef i l 枷0 1 1 st h a ta 订矗d 城o n a lo s c i l l o s c o p ec a 珥b u ta l s os 咖e 廿l 缸c 蛐o tb er e a l i z e db y m o r i i 鲥。a lh a r d w a r ej o 硼yw i 也e p i s 扭s i ss o 丘w a r e e s p e c i a l l y i tc a nr e d u c et h ew h o i e m 赫u f a c n 鹏c o s to f 吐l ei l l s m | m e l i ts i 髓i f i c a n t l y m a j o rc o r 删b 嘣0 no ft h em s s 吼鲥o ni s 也e p r o p o s a l0 f ad e s i 弘o f h 醐蛔宣他a tb o t c o ml a y 髓o f t h ev i m 姐lo s c i l l o s c o p e 锄dt 1 1 ed i s c u s s i o n0 n t l l e s o c i a l e de p i s t a s i ss o i t w m t h ev i r n l a ld i 醇t a 王s t o r a g eo s c i l l o s c o p et l l 礅i ss m d i e di 1 1 吐l ed i s s e 咖i o nc a nf i l l f i l 】 f l m c t i o n s0 f 8 h y p q g y n yi 芏i s 咖m e 畴s u c h 拈r e g i l l a d n g 躲a 1 0 9s i g n a l s ，c o n v 鲥1 1 9a n a l o gd a t at o d i g i t a ld 砒a ，s e n ( i i i l ga m 曲强d 觚c 吐o n so f 印i s t 蕊i s ，s u c ha ss i g n a ip r o c e s 8 i n 岛s o 抒、v a 坤 p a n e ld i s p l a y h y p 0 鼢m ym 缸l a g 咖眦，e t c h 1a d d i 虹o n ，i tc a np e r f o r lc e n a i ns p e c 斌f u n c t i o n s t l l a t 妇d i 廿o n a lo s c 王l l o s c o p e sc a n n o s u c h 如s 州n ga n dc a l l 协gv a s t ( n e a r l yi 1 1 f m n e ) 砌o u n to f i 1 1 f o h n a t i o n ，c o r l v 铋i 锄n yt y p i n g 匝dm 鼢a g i n g 聊b i c s h n p l e m e m 撕o no fs o f t w a r ed i g h a l f i n e rmt l ep r o p o s e dd e s j 弘a l s o h l c e st l l es i 掣l a ln o i s er a i t oo f 血es y s t e m t h ec o r eh a r d w 眦o f 也ed e s 细e dv j r lo s c 虹l o s c 印ei sac h i po fs 3 c 4 4 b o xa n d 也e s o 脚a r eu s e di sm v i e wt 1 l e 眦如rh 嬲w o 凼薹do nf o r n l i i l a t i o na n d 砌i 可哇o no f e a c hp a no f t 1 1 es y s t e m 鹊w e n 龉t 1 1 e i ri n 碡f 鲥0 na n dc o o r d m 鲥o n ，p r e s e m 鲥o i lo fm ec i r c u i td e s i 鲫o f h a r d w a r e ，p r o p o s a lo f c o m m l m i i 删o ns 臼1 蚶h h b e t w e e nh y p 0 鼢m ya i l d 印i 啦峪i s ，跹ds q 皤e s 髓0 n o f m o d u l a rd e s i 弘o f s o 如w a r e i n t h e 印i 婚商sc o 嘲础曲r n ed i s 涮t 瓶o ni so r g 矗出脚a sf o l l a w s s e 甜0 n1i n 咖d u c 船吐l eb a c k g r o l 】n do ft h e r e s e 盯c hi l lt t i ef i e l da n do u t m 艟o ft h ed i s s e t a t i o n s 鲥0 n2p r e s t s 世l ei n v t o r yo fav i r n l a l c i l l o s c o p e 衄da s s o c i 删砌d d e ds y s 嘲n s s e 出o n3d i s c u s 辩sa b o mt h ea d v a l l c e d h h ) 0 9 y r l yd e s i g no ft h ev i m | a 】o i l l o s c o p e s e c 畦o n4 萨v e s 吐l e 印i 螺l s i sd e s i g no fs o f w a r e s e 以o n5p 托n t s 恤d 嘲印o fs y 妣m 蛐蚓时e n c ei m h m n 时蛐dt h ep p o c e s s i n go fe n _ o r s s e c t i o n6d i 虻u s s0 nt h e 妇p r o v 锄e n t 明di n t e 酏yo f 也es y s t e i n ，1 h e ng i v e st h ec o n c l u s i o n s o f 也ed i s s e r t 撕o n 拍dp r o s p e c t si nm e 矗e l d k e yw o r d s ：a r m ，n l 枷。嗣珊o s c o p e l 矗b w ，u s b ，s i 弘a lr e 扣k 恤g m 学位论文独创性声明 本人郑重声臻： l 、坚持以。求实、创新4 的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、致据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成累。 5 、其他同志对本研究所傲的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向量家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复翻 并允许论文进入学校图书馆被奁阕；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：i 竺 日期： 翌：主 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京涪息工程大! 精关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 作者签名：妊迕 日期：丛：! ：二 导师签名 日期 南京信息工程大学硕士学位论文 1 1 前言 基于删的虚拟示波器的设计与研究 第一章绪论 微电子技术和计算机技术发展的日新月异，正以不可逆转之势从备个方面影响着各行 各业的技术进步，丽其应用范围越来越广，也使得当今的测控仪器行业经历着一场翻天覆 地的变革。 虽然传统仪器已经得到迅猛的发震，仪器精度越来越高，功能越来越强，性能越来越 好，但传统仪器基本上没有摆脱独立使用，手动操作的模式。它们缺乏相应的计算机接口， 因而在测试和测量领域中进行数据采集与数据处理也十分困难。在传统测量控制方法中， 对每个测量控制点一般要配备一套相应的组合仪表，每个单元自成一体，连接线路复杂， 故障较多。同时对操作人员的要求也较高。 基于计算机的测量仪器逐渐成为现实。一方面是由于传统测量仪器的缺陷，另一方面 是由于计算机技术的进步，嵌入式系统开始在各个领域大显身手。所谓嵌入式系统，是指 | 三【应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁减、适应应用系统，对功能、可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。i 【o 它将操作系统和功能软件集成于计算机 硬件系统中。2 0 世纪7 8 0 年代，嵌入式系统逐渐应用予技术含量较高的工业测试领域。 微处理器和d s p 技术极大地改变了传统电子行业的设计思想和观念，但嵌入式系统发展的 主要体现是在软件技术的发展上。多种高级语言开始在嵌入式系统中得到应用，如c ，c + + ， a d a 等。c 语畜作为一种通用高级语言，可以使软件用一种离效、稳定和可移植的方式来 写，成为很多嵌入式系统开发的首选语言。 而随着电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在仪器和测量技 术上的应用仪表结构在许多方匿都已挣破传统仪器的概念，在功能和作用上已发生了质 的变化，产生了许多新的测试仪器和测试测量豹方法理论，并开辟出新的测试领域。虚拟 仪器就是在这种背景下产生的，它的核心思想是利用计算机的强大资源，使本来需要硬件 实现的技术软件化，以便最大程度地降低系统的成本，增强系统的灵活性。箕概念提出者 美国国家仪器公司( 简猕n i ) 提出了“软件即是仪器”瞰的口号。它突破了传统仪器以硬 件为主体的模式，实际上使用者是在操作具有测试软件的电子计算机进行测量，犹如操作 一台虚设的电子仪器。虚拟仪器的实质是利用计算机显示嚣的显示功能来模拟传统仪器的 南京信息工程大学硕士学位论文 控制面板，以多种形式表达输出检测结果：利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运 算、分析和处理；利用i o 接口设备完成信号采集、测量与调理，从两完成各种测试功能 的一种计算机仪器系统。【3 】 目前虚拟仪器正沿羞总线与驱动程序标准化、软硬件模块化方向发展。虚拟仪器的标 准正日益完善，以其为标准的各种测试仪器也将在市场上大放异彩。 1 2 本课麾研究的霄景和意义 在现代电子测量、仪器仪表等领域。示波器是电子信号测量行业最常用的仪器之。 主要用来测量并显示被测信号的参数和波形，在科学研究、科学实验及现场检测等许多领 域被广泛应用。其基本原理是将被测信号通过变换和比较，再显示出来。下面对几种不同 示波器的性能和特点进行简单的介绍： ( 1 ) 传统模拟示波器：随着技术发展，传统示波器的缺陷逐渐显露出来，波形显示不稳 定，而且体积大，耗电多，越来越不能满足应用需求。 ( 2 ) 传统数字存储示渡器：可以记录与再现瞬态波形，对瞬态电压波形和电压信号测量 完成后，即使波形消失之后仍可通过示波管或荧光屏稳定地显示出来。有些还具备掉电保 护或存储功能。 ( 3 ) 虚拟示波器：虚拟仪器将计算机和测量系统融合于体，用计算机软件代替传统仪 器的某些硬件的功能，用计算机的显示器代替传统仪器物理面板。虚拟示波器是虚拟仪器 的一种，它不仅可以实现传统示波器的功能，具有存储、再现、分析、处理波形等特点。 利用功能强大的微机来完成信号的处理和波形的显示，利用软件技术在屏幕上设计出方便、 逼真的仪器面板进行信号的处理、加工和分析，用多种方法表示测量结果，完成各种规 模的测试任务。 随着计算机技术和现代涮试技术的飞速发展，现代测试系统越来越复杂，需要测试的 数据量也越来越大，对捌试的速度、精度、实时性、数据可信度、完整牲以及测试系统的 可靠性、智能化、开放性等要求也越来越高。针对这些要求，如何利用基于计算机的虚拟 仪器技术，快速高效的提出测试系统的构建方案，成为囊9 试系统的首要闻题和迫切需要。 目前高精度、具有数据存储能力的示波器，由于工艺复杂，技术要求高，因而价格昂贵， 所以虚拟示波器的设计有其经济价值。虚拟仪器这种集计算机技术、通讯技术和测量技术 于一体的模块化仪器已在世界范围内得到了广泛的认同与应用，使成千上万传统仪器都融 入计算机体系中。 2 南京信息工程大学硕士学位论文 目前我园高档示波嚣很多还徭要进口，这些示波器加工工艺复杂，生产和突破有一定 难度。而计算机技术的进步为新型鬟l 控仪器的产生提供了技术基础，用户可以将一些先进 的数字信号处理算法应用于虚拟仪器的设计，提供传统仪器所不具备的功能，而且完全可 以通过软件配置实现多功能集成的仪器设计。为打破国外技术垄断，当前在国内研制出高 性能，操作简便，生产难度不高，费用较低的示波嚣是很有必要的。我国正处于科学技术 蓬勃发展的新时期，对仪器设备的要求非常强劲。微型计算机发展的势头更为迅猛，这为 虚拟仪器的发展奠定了基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代品，市场是非常大的。国内外 都在加速虚拟仪器产品的开发和研制，这又为虚拟示波器的研制增加了必要性和紧迫性。 1 。3 本课蕊的主要工作及系统整体攘翻、系统参熬要求 本课题研究的虚拟示波器作为一种重要的虚拟仪器，主要用予高速数据的采集，波形 存储和显示，数据分析等。本设计主要包括硬件电路设计和软件模块设计两大部分内容。 其中硬件电路设计又分为模拟信号调理、a d 转换、数据存储、数据传输等。软件模块设 计分别设计了数据测量模块、数据分析模块、数据滤波模块、波形显示模块、数据存储及 回放模块。本次设计中，作者的主要是完成了对底层硬件设计并对上位进行了一些探讨。 本设计中的虚拟示波嚣期望达到的主要技术指标如下； 通道数；双通道 输入信号范围：1 0 m v 4 0 v p 巾 模拟带宽：6 0 瑚z 扫描时基范围：5 n s 出v _ 5 s ，d i v 垂直分辨率：8 位 实时采样：2 5 0 m s p s 等效采样：2 0 g g p s 存储深度：2 5 k b ，c h 电压灵敏度；1 2 5 l v ，d i v - 一5 v d i v 波形显示模式：a 或b 遇道，a b 双通道，a + b ，a - b 通道， 本虚拟示波器的系统整体框架如下图所示： 南京信息工程大学硕士学位论文 1 4 本文内容安捧 图1 - l 系统整体框图 本文主要是基于s a m s u 蝎公司的a 】u 们h ) h 虹产品s 3 c 4 4 b o x 和m m 8 n o n a l i n s 饥e n t s ) 公司的m w 编程工具，完成了一种虚拟示波器系统的设计。 论文共分为七部分。第一章介绍了本课题研究的一些基本情况；第= 章概述了虚拟示 波器及嵌入式系统；第三章给出虚拟示波器的下位机设计；第四章给出虚拟示波器的上位 机软件设计：第五章讨论了系统的抗干扰设计和误差处理；第六章重点讨论系统的改进和 完善：最后一章进行了总结和展望。主要对本文的已做工作做了总结，并对虚拟仪器的前 景作出了展望。 4 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章虚拟示波器及嵌入式系统概述 2 1 传统示波嚣的基本特点、分类及发展现状 示波器是以短暂扫迹的形式显示一个量的瞬目重值的仪器，也是一种测量、观察、记录 的仪器。可以直观表示二个、三个及多个变量之间的瞬态或稳态函数关系、逻辑关系、以 及实现对某些物理量的变换或存储。传统示波器大致可以分为模拟示波器和数字示波器两 大类。 ( i ) 模拟示波器的特点 模拟示波器长期以来一直是波形测量的主要工具，它能把抽象的各种电信号比较直观 地显示在屏幕上，以便对信号进行定性的分析。这种示波器通常由垂直偏转系统( 主要包 括垂直放大) 、水平偏转系统( 主要包括扫描和水平放大) 和显示电路组成。模拟示波器只 能用来观察和分析重复的周期信号，对于慢速信号、单次或偶尔出现的高频信号，是难以 观察和分析的，模拟带宽可以做到很高是其突出的优点所在。口1 ( 2 ) 数字示波器 随着数字技术的飞速发展，数字示波器的综合技术指标和性能已赶上并超过模拟示波 器，价格也不断在降低，成为现代示波器的主流。数字示波器是将输入被测连续模拟信号 用a 仍转换器变换成离散数字信号，存储于存储器中。最后可将模拟波形显示在示波管上 或直接显示在l c d 上。数字存储示波器既适用于重复信号的检测，也适用于单次瞬态信号 的测量。数字存储的方法不仅克服了模拟示波器的所有缺点，并且还带来了很多突出特点 和功能，比如：可以显示大量的预触发信息：可通过使用或不使用光标的方法进行全自动 的测量；可以长期储存波形：可以在打印机或绘图仪上制作硬拷贝以供编制文件之用；可 以按照通过或不通过的原则进行判断：波形信息可用数学进行处理等。闱 数字示波器的核心内容是将模拟连续被测信号转换为数字信号，即采样。采样方式可 分为实时采样和非实时采样。根据采样的方法不同，数字示波器可以分为实时采样数字存 储示波器、随机采样数字存储示波器，顺序采样数字示波器。一般实时采样示波器可以观 测非周期信号，非实时采样示波器可以更容易蝰做到观测高频信号的能力。 数字示波器的发展经快，市场竞争异常激烈。各个厂商不断推出技术领先的数字示波 器。安捷伦在0 5 年推出了a g i l e mm f i n i i u m8 0 0 0 0 系列1 0 、1 2 、1 3 g h z 是能为高阻抗探 头提供超过8 g h z 带宽，4 0 g s a s 采样率和全带宽性能的示渡器系列。对于频率范围在 4 - 8 g h z ，上升时间小于5 0 p s ( 2 0 8 0 ) 的信号该系列示波器都可以捕获到其二次和三次 5 南京信息工程大学硕士学位论文 谐波，并进行精确和可重复的测量。而泰克公司也推出了带宽达到1 5 g h z 的t d s 6 1 5 4 c 示波器。它采用第三代o 1 8 岫b i o 帕s 硅锗( s i g e ) a s i c 集成电路技术，能够捕获最高 频率模式下五次谐波和1 0 g b 口s 三次谐波信号，并能以小于5 的耩确误差( 2 0 ，8 0 上升时 闻) 测量出3 0 p s ( 典型数据) 的上升厂f 降时间。 近年来国内数字存储示波器技术研究也取得了很大成果。但由于我国研制示波器起步 晚，资金投入有限，当前国内高端示波器市场仍然是由国外产品主导。打破技术垄断，开 创新的技术领域，为国防军用颁域高新技术的研究与开发提供现代化的检测、分析、处理 的强有力工具 2 2 虚拟仪器的概述 2 2 1 虚拟仪器基本概念 虚拟仪器( 内l a lh l ! n 协，简称) 是指通过应用程序将计算机、软件的功能模块 和仪器结合起来，用户可以通过友好的图形界面( 通常叫虚拟前面板) 操作这台计算机， 就象在操作自己定制的一台传统仪器一样，从而完成被测信号的采集、分析、判断、显示、 数据存储等。口j 虚拟仪器的概念是对传统仪器概念的重大突破，它的出现使测量仪器与个 人计算机的界限模糊了。 虚拟仪器一词中“虚拟”有以下两方面的含义v 1 ( 1 ) 虚拟仪器面板 与传统仪器不同，操作人员不需要操纵仪器的物理面板，计算机显示器是唯一的交互 界面，物理的开关、按钮及数码管等显示器件都由与物理外观很相似的图形控件来代替， 操作人员通过鼠标和键盘操作软件界面中这些控件来完成仪器的操控。 ( 2 ) 由软件编程来实现仪器功能 在虚拟仪器系统中，仪器功能是由软件编程来实现的。测量所需的各种激励信号可由 软件产生的数字采样序列控制d a 转换器来产生：系统硬件横块不能实现的一些数据处理 功能，都可由软件编稷来实现。通过不同软件模块的组台，还可实现多种自动测试功能。 这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。i 7 1 2 2 2 虚拟示波器与传统示渡器的比较 虚拟示波器与传统示波器相比具有很多优点 6 南京信息工程大学醺士学位论文 ( 1 ) 传统仪器：传统仪器的功能通常由仪器厂商定义，资料无法编辑，硬件是萁关键部分： 测量的误差较大，价格昂贵，功能固定，扩展性差，技术更新慢，开发和维护的费用高。 ( 2 ) 虚拟仪器：虚拟仪器的功能通常由用户自己定义。利用计算机强大的数据处理能力可 对资料进行分析、检索。软件是关键。由于减少了对硬件的使用，误差较小。价格相对鞍 低。根据需要可对软件进行修改以满足新的需要。其技术伴随着计算机技术的发展而发展， 更新较快，开发和维护费用较低。接口友好。使用简便，用户只错用鼠标和键盘即可完成 全部操作。可方便地与网络和其他外设相联系。 传统仪器与虚拟仪器的差别如表2 1 所示。 表2 - 1传统示波器与盘拟示渡船的比较 传统示波器虚拟示波器 关键是硬件 关键是软件 厂商定义功始可以用户自定义示波嚣功能 开发与维护费用藉软件的应用使开发与维护费用降至最低 封闭、周定 开发灵活，与计算机技术保持同步发展 技术更新周期长( 5 - 1 0 年)技术更新周期短( 1 年左右) 价格昂贵价格低，可复用，可萋配置性强 功能单一互联能力有限与网络及其他周边 2 3 虚拟仪鼍的构成 虚拟仪器通常由硬件和软件两大部分构成。p j 虚拟示波器的构成情况如图2 1 所示， 其硬件通常包括通用计算机和外围硬件设备。通用计算机可以是笔记本电脑、台式计算机 或工作站等。外围设备可以选择o p i b 系统、v 系统、p 系统、数据采集系统或其他 系统，也可以选择有两种或两种以上系统构成的混合系统：软件包括操作系统、示波器驱 动器和应用软件三个层次。操作系统可以选择w l n d o w s 9 x 小t 0 0 、s u no s 、l i n u x 替。 虚拟示波器驱动程序是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件。示波器驱动器与通 信接口及开发环境相联系，是虚拟示波器的核心，可帮助用户完成对示波器硬件拇控制。 目前流行的虚拟仪器开发软件l a b v 皿w 不但提供世界各地主要厂家生产的多种仪器驱动 程序，而且提供重要的模块化代码，可以很方便地进行示波器驱动程序的开发设计。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 应用软件- 示波嚣功能应用软件软面板 软件示渡器驱动器软件 操作系统 硬件通用计算机 外围硬件设备 被测系统 【，。，j 图2 1 虚拟示渣黎系统构成图 应用软件通过示渡器驱动器实现与外围硬件模块的通信连接。应用软件包括实现示波 器功能的软件程序和实现软面板的软件程序。利用计算机强大的计算能力和虚拟示波器开 发软件功能强大的函数库极大地提高了虚拟仪器豹数据分析处理能力。如l 抽v m w 的内 置分析能力能对采集到的信号进行平滑、数字滤波、频域转换等分析处理。软面板是用户 与示波器之间交流信息的纽带。虚拟示波器在工作时利用前面板去控制系统。与传统示波 器物理面板相比，虚拟示波器软面板最大的特点就是用户可自定义软面板，用户可根据自 己的需要来组成不同的虚拟示波器控制面板。 2 4 研究虚报示滚鼍的意义 数字示波器是在科学研究和工程设计中广泛应用的一种通用仪器。目前高耩度、具有 数据存储能力的示波器，由于工艺复杂、技术要求高，因此价格昂贵，所以虚拟数字存储 示波器的设计有一定的经济价值。虚拟数字存储示波器不仅具有通用示波器的功能，还可 同时显示、记录、存储和打印多遇道输入的波形，对存储的曲线可通过“回放”功能显示 在屏幕上，“回放”的速度可调节，过程可暂停波形扫描，以便能更精楚地观察波形的变化， 所存储豹曲线可以在任何时闻打印输出，使用者可以及时进行数据处理、溉察和分析实验 结果。 虚拟仪器在工程应用和社会经济效益方面具有突出优势。目前，我国台式仪器如数字 示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪中较为高档的产品还主要依赖进口，这些仪器制造水平 南京信息工程大学硕士学位论文 要求高，生产突破有一定难度。而采用虚拟仪器技术，可以在仪器的硬件减少的同时保证 仪器的高性能，另外，仪器硬件的设计也可以较传统仪器更简单，因此有望冲破我国在传 统测试仪器技术方面存在的瓶颈，逐渐在技术上与冒际接轨。 2 5 嵌入式系统概论 2 5 1 嵌入式系统的基本概念 随着信息技术的发展和数字化产品的普及，嵌入式系统被应用到网络、手持通信设备、 园防军事、消费电子和自动化控制等各个领域。嵌入式系统的广泛应用前景和发展潜力使 其成为2 1 世纪的熟点应用之一。嵌入式系统通常是面向特定应用的。然而，嵌入式系统本 身不仅与般p c 上的应用系统不同，针对不同环境设计的嵌入式应用之间的差别也很大。 因为嵌入式系统应用广泛，在不同的领域都有渗透，对嵌入式系统的定义有不同的理 解。一般通用定义为：嵌入式系统( e 皿b 酣e ds y s t c m ) 是以应用为中心和以计算机技术为 基础的，并且软硬件是可裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等 指标的严格要求的专用计算机系统。它可以实现对其他设备的控制、监视或管理功能。p 嵌入式系统也可理解为嵌入到对象体系中的专用计算机系统，它有三个要素：嵌入性、 专用性和有c p u 。嵌入式系统的众多特点都可以从这三个要素来理解。嵌入性，就是说嵌 入式系统要适应对象的环境要求。对象的环境要求有时候很苛刻，比如示波器，其工作环 境差别可能会很大，如需要户外作业，甚至在恶劣的气候环境下稳定工作，有较大的震动， 温度变化或许很大，要求系统持续工作的时间可能很长等。专用性，强调嵌入式系统要按 对象的要求裁减软硬件，这体现了嵌入式系统的灵活性。不存在通用的嵌入式系统。嵌入 式系统的软件和硬件不可能毫无改变地在不同的对象体系中应用。能够根据不同的计算需 求，选择不同的硬件平台，开发相应的软件，这是嵌入式系统不同于通用系统的特点之一。 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等部分组成。 【1 0 】其系统结构如图2 2 应用软件 + 嵌入式操作系统软件平台 t 以徽处理器馓控制嚣为核心的硬件平台 9 南京信息工程太学硕士学位论文 2 5 2 嵌入式系统的现状和发展趋势 嵌入式系统的开发包括了各种软件、硬件的设计与研发，如嵌入式操作系统、通讯协 议、电路系统等。目前在国内嵌入式系统是当前的一个流行和热门话题。但是国内的厂商 的开发只是在产品级的开发，只有很少的单位从系统的底层进行开发具有自主知识产权的 嵌入式系统软件产品。目前国内有华恒、赛德菱、英迈为用户提供嵌入式软件开发平台； 并提供技术支持服务。这些公司还针对各种典型嵌入式应用推出相应的完整解决方案，包 括：工业和国防，各种互联网通讯设备，消费电子等等。未来的嵌入式系统发展趋势将向 弼络化、小型化、图形化等方面来发展。 2 5 3 嵌入式系统在本瀑题中的应用研究 本系统设计的是基于a r m 的虚拟示波器，其中硬件部分的核心部件采用了s a m s u n 2 公司的s 3 c 4 4 b o x 。s 3 c 4 4 b o x 是s a m s u n g 公司采用a r m 7 ) m i 内核，0 2 5 u m 工艺c m o s 标准宏单元的1 6 ，3 2 位砒s c ( r e d u c 酣i n s 觚【c 6 0 ns e tc o m p u f e r ) 处理器，它为手持设备和 一般类型应用提供了高性价比和嵩性能的微控制器解决方案。s 3 c 4 4 b o x 的杰出特性是它 的c p u 核，即由a r m 公司设计的1 6 ，3 2 位a r m 7 ) m 【r i s c 处理器( 6 6 m h z ) 。 a r m ( a d v 髓d l l i s cm 妇e s ) 既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一 类微处理器的统称，还可以认为是一种技术的名字。1 1 l 】目前基于a r m 技术的徽处理器应 用约占据了3 2 位耻s c 徽处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正逐步渗入到生活的各 个方面。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列：删7 系列、a r m 9 系列、越t m 9 e 系列、 a r m l o e 系列、s e c u r e c o r e 系列、i l 】t e r 的x s c 鲥e 、i n 船的s 鼬蝉p 淑m 。a 砌d 7 系列微处 理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。其 主要应用领域为：工业控制、i 砷m e t 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒 体和嵌入式应用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d l h 、蚰m 作1 d s 、a r m 7 2 0 t 、 a r m 7 勘。其中，a r m 7 n d d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式王u s c 处理器，属低端a r m 处理器核。黜的基本含义为：t ：支持1 6 为压缩指令集t b u m b ：d ：支持片上 d e b l l g ；m ：内嵌硬件乘法器( m i l l a p i i e r ) ：i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点；川 除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领域，扩展 了相关功能模块，并集成在芯片之中，称之为片内外围电路，如u s b 接口、i i s 总线接口、 l o 南京信息工程大学硕士学位论文 i i c 总线接口、l c d 控制器、键盘接口、r t c ! 、a d c 和d a c 、d s p 协处理器等。采用片 内外围电路完成所需功能，既可简化系统设计，同时提高系统可靠性。s 3 c 4 ；4 b o x 提供的 片上外设主要有： 2 5 v a r m 7 踟内核，8 k 高速缓存器( s a m b a 总线体系结构，主频最高6 6 h m z ) ； 外部存储器控囊4 器( 职嘎d 1 ) ，s d r a m 控制，片选逻辑) ，l c d 控制器 2 通道用d m a 、2 通道外设d m a 并具有外部请求引脚； 2 通道u a j 玎带有握手协议，l 通道s i o ； l 通道多主c b u s 控制器，1 通道s - b u s 控制嚣 5 个p w m 定时器和1 通道内部定时器，着门狗定时器； 7 1 个通用i o 口，8 通道外部中断源； 功耗控制：具有普通，慢速，空闲和停止模式f 8 通道1 0 位a d c ； 具有日历功能的r t c ，具有p l l 的片上时钟发生器。h 训 在嵌入式操作系统的选用上，删7 1 1 ) m i 不具备m m u ( m e m o r ym a g e n tu n i t ) 功能，不支持w i n c e 和标准l i m 。但目前有u c l i n u x 等不需要删支持的操作系统可 运行于a r m 7 黜硬件平台之上。事实上，u c l 缸u x 已经成功移植到多种不带 m m 的 微处理器平台上，并在稳定性和其他方面都有上佳表现。s 3 c 4 4 b o x 是一款不带舳协y 的 a r m 微处理器，可在其上运行u c l i n t 操作系统。 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章虚拟示渡器下位机设计 3 1 ：硬件电路设计及系统流程 作为一种实时性要求非常高的测试系统，虚拟示渡器的硬件电路设计在本设计中占着 很重要的地位。从整个硬件系统的框架、功能模块的划分，各个模块的连接、到芯片的选 择、电路原理豳的绘制、再到布线都需要精心设计。从硬件模块来看，本系统包括这样几 个模块：信号调理模块、数据采集模块、数据存储模块、核心a j 孙i 模块、u s b 通信模块、 电源模块。整个系统的模块连接如鹭3 一】所示。 圈3 - 1 虚拟示艘器下位硬件系统模块 系统中的主要元器件有：信号调理模块中的衰减部分的多路选择器选用了h c 4 0 5 l 、 h c 4 0 5 2 、m a x 4 6 4 4 ，放大部分的运算放大嚣选择了美国a d 公司的a d 8 0 0 0 ，该芯片速度 非常快，带宽在3 d b 时达到1 5 g h z ，对于示波器这种对带宽非常敏感的设备来说是比较理 想的选择”目：数据采察模块的a d c 芯片采用的芯片是m a x i i l l 公司的m a x l l 2 1 芯片，该 芯片是一款高速、低功耗的8 位模数转换芯片，最高采样率为2 5 0 m s p s ，具有很好的动态 性能，适于宽带应用。存储模块中用作f o 的f p g a 选用了a r a 的e p l c 3 t 1 4 4 ，这款 f p g a 芯片容量大，支持不同的i ，o 标准，功能非常强大。在这里虽然不是核心c p u ，但 由于m a x l l 2 l 的倍号和时钟都为差分输入，其模数转换速度非常快，用普通的f i f o 不能 满足要求，最终选用f p g a 芯片。f l a s h 芯片选择了s s t 公司的3 9 v f l 6 0 ，存储容量为 2 m 字节，这块芯片可靠性高，功耗低，有快速的读获取时间和快速的擦写及字编稷能力。 s 乙a m 选取了 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ，存储容量为8 m 字节，系统中的指令和控制信息存放在该 s d r a m 中空阆是足够了。另外，a r m 中内含有g k 字节的c h e ，普通的指令代码可以 在内郝运行。有当系统运行代码比较犬的应用程序时就用该h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 来当内存。核 心a r m 模块用的是s 蛐s l m g 公司的删7 1 d m i 芯片s 3 c 4 4 b o x ，这款芯片是a r m 芯 片里的低端应用产品，它的低功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感 的应用。该芯片提供了全面、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 器件配置，从而最小化系统的成本。因此用它来代替一般示波嚣中用单片机来作核心c p u 模块还是比较经济和实惠的。该芯片在系统中主要有两个重要作用，一是控制数据采集过 程，并提供系统对间、串口通信、看f j 狗等岁 围功能。二是实现基于u s b 的数据传输，从 而实现将采集到的数据侍到上位机进行后继处理；u s b 模块中选用p 眦l i p s 公司的 p d 兀j s b d l 2 芯片，它是一款性价比相当高的u s b 器件，通常用作微控制器系统中实现与 微控制器进行通信的高速通用并行接口，是目前很多u s b 设备的理想选挥芯片之一。 整个系统工作过程如下：首先被测信号从探头进入电路中，先到信号调理模块进行衰 减、放大、交直流选择，将信号变成适合在a d c 中进行采集的信号范围。然后信号就进 入信号采集模块，由a d c 把被测模拟信号转换为数宇信号，由于该a i ) c 是高速设备，核心 模块a r m 来不及接收，因此先把采集后的数据放入用研哈a 来实现的f i f 0 中，再以相对 低一些的速度传输到a r m 中，a 】l m 根据上位机的指示来发送数据上位机和下位机的数 据传输采用u s b 传输方式。上位机把接受到的数据放在其缓存中，需要显示的时候，将存 储器中存储的内容调出。而且上位机软件l a b v 毋w 还可以对数据做进一步的处理。 系统工作流程描述如下： ( 1 ) 系统初始化。包括设置系统的主频率、端口设置及串口设置等。 ( 2 ) 系统自检。负责对系统的工作状态进行检测。如果系统工作正常，则不作任何异 常反应。否则若系统检测到错误，则进入错误处理子程序。如果是u s b 接口错误，用l e d 来指示。这样做可提高系统的可靠性，同时也是为了方便系统的维护。 ( 3 ) 程序的主循环。当主机需要和下位机进行通信时，下位机就结柬空阑状态，程序 进入主循环。开始一次数据采集过程。在主循环中创建了个数据文件之后就会替待a r m 的数据传输信号。当a r m 信号出现时就开始读取缓存里的数据，同时通知u s b 接口写数 据，进行上位机和下位机的数据传输；然后等特下一次的a r m 传输信号。重复多次 直到完成规定的数据传输才结束这个数据文件。同时更新系统的相关参数。若一个文件个 数不够，就再创建新的数据文件并进行采集。一直到本次数据采集结束。系统再此更新参 数，进入空闲状态，等待新一轮的数据采集。 3 2 模拟信号调理 模拟信号被探头采集进来以后，其信号范围是在1 0 m v “0 v 之间的一些数值，而一般 示波器的a d c 的输入信号范围都不可能有这么宽的范围，本系统中的a d c 芯片m a x l l 2 1 的输入信号满量程电压v p p 为1 2 5 v ，过大或过小的信号将不能被数字化甚至会损坏芯 南京信息工程大学硕士学位论文 片。而且在测量某个信号时，不能对被测系统的其他部分造成影响，这就要求示波器的输 入阻抗较大。所以在进入a d 转换之蘸必须对信号进行调理，并进行适当的滤波。信号调 理模块由信号衰减、信号放大、信号隔离，信号滤波、保护电路等几个都分组成。其中放 大电路分为前置放大和后置放大两部分。本示波器设计成双通道，它们的设计完全一样， 因此论文中只对一个通道进行介绍，文中的电路原理图也只显示单通道。 3 2 1 信号衰减 被测的模拟信号需要通过a d c 来将其转换为数字信号。而a d c 的输入信号也有其范 围，电压不能超过这个耗围。m a x l l 2 1 的v p p 为i 2 5 v ，输入信号在调理时必须向这个数 值靠拢。所以如果输入的信号比较大，就必须经过衰减。针对本系统输入信号范围特征， 在电路中设计了一个衰减网络，主要由电阻和两个多路选择开关组成分压网络，最大可以 实现5 0 倍的衰减。信号输入最大为4 0 v ，经过5 0 倍衰减以后将变成0 8 v ，没有超过a d c 的v p p 。这样一来就避免了大的信号在信号放大部分出现信号饱和的现象。衰减量程选择 由模拟多路开关h c 4 0 5 1 来实现。如果输入信号本来就比较小，那么就不需要经过衰减， 直接进入放大部分。在电路中实现的率减选择有l 、o 2 、o 1 、o 0 5 、o 0 2 五萃申。 是否衰减的选择由高速、低导逶电阻的m a x 4 6 4 4 来完成”“。另外在衰减电路和放大电路 中间还有一个模拟多路开关h c 4 0 5 2 ，用来进行交盥流选择。衰减电路如图3 2 所